CN106785253B - 一种新型三模介质带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三模介质带通滤波器，包括外部腔体以及介质谐振器、位于圆柱形介质谐振器上表面的介质基板、控制频率的介质基板开槽结构、控制频率的调谐螺钉结构、控制耦合的由两根短接金属柱和外部腔体构成的环形结构以及输入输出端口耦合结构。调谐螺钉位于外部腔体的上表面，开槽结构位于介质谐振器上表面的介质基板上，所述金属柱与外部腔体上下表面短接构成环形结构，通过改变控制频率的调谐螺钉的深度可以控制滤波器的谐振频率，通过改变控制频率的介质基板开槽结构尺寸可以控制滤波器的谐振频率，通过改变控制耦合的由两根短接金属柱和外部腔体构成的环形结构的位置可以控制腔内耦合强度。本发明具有体积小，Q值高和易加工等优点。

Description

一种新型三模介质带通滤波器

技术领域

本发明涉及介质滤波器的技术领域，具体涉及一种采用调谐螺钉和介质基板开槽结构控制谐振频率以及采用由两根短接金属柱和外部腔体构成的环形结构控制耦合的新型三模介质滤带通波器。

背景技术

随着无线通信系统的高速发展，信息的高速传播随处可见，无线通信在社会生活的各个领域都有着广泛的应用，比如移动通信、雷达导航和电子对抗等。微波滤波器作为无线通信系统的重要组成部分，在无线通信系统有着不可替代的重要作用，其主要作用是在无线通信的过程中对进行通信的频率起着选择作用，抑制通信过程中不需要的频率，使其不能通过，同时让需要的频率通过，其性能的好坏往往对整个无线通信系统的性能有直接的影响。

近几十年来，信息产业和无线通信系统得到了快速的发展，分配到各类通信系统中的频率间隔越来越密，这就对微波滤波器的设计提出了更高的要求，不仅要求微波滤波器的插入损耗小、功率容量大和带外抑制高等，还希望滤波器的体积小和重量轻，以便于微波滤波器在无线通信系统进行集成和小型化，而采用高介电常数的介质材料和多模技术设计的多模介质滤波器正好满足无线通信系统发展的需求，发展突飞猛进，被广泛应用于无线基站和航天航空等领域。

1999年，Ian C.Hunter和J.David Rhodes等人在IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques上发表题为“Dual-mode filters with conductor-loaded dielectric resonators”的文章。作者利用四个加载金属腔的圆柱介质谐振器实现了八阶双模介质滤波器，该滤波器腔内耦合是通过对放置在圆柱介质谐振器上表面的金属圆盘进行开槽实现的，通过控制开槽的深度和宽度实现对腔内耦合强度的控制。

2012年，S.Yakuno和T.Ishizaki在Microwaves Conference Proceedings上发表题为“Novel Cavity-Type Multi-Mode Filter using TEM-mode and TE-mode”的文章。滤波器模型包括一个圆柱型的金属外腔、两个一端短路一端开路的圆柱形介质谐振器和若干调谐机构。外部的金属圆柱腔工作在半波长谐振器状态，存在两个电场相互垂直的简并模式TE11模，而两个圆柱型介质谐振器相当于准同轴谐振器，工作在四分之一波长奇偶模状态，谐振在TEM模式，TE11模式和TEM模式的耦合控制是通过调谐螺钉实现，此外，TE11模式和TEM模式的频率控制也是通过螺钉实现。

2009年，M.Memarian和R.R.Mansour在IEEE Trans.Microwave.Theory Tech上发表题为“Quad-Mode and Dual-Mode Dielectric Resonator Filters”的文章。作者通过圆柱介质谐振器的HEE₁₁简并模式和HEH₁₁简并模式实现了四模介质滤波器。作者首先通过调节介质谐振器的尺寸比将HEE₁₁简并模式和HEH₁₁简并模式的谐振频率调在一起，然后通过调节螺钉来实现对腔内耦合耦合强度和频率的控制，垂直的螺钉主要调节HEE₁₁简并模式的频率和耦合，水平的螺钉主要调节HEH₁₁简并模式的频率和耦合。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种采用调谐螺钉和对位于介质谐振器上表面的介质基板进行开槽控制频率的三模介质带通滤波器，同时通过采用由两根短接金属柱和外部腔体构成的环形结构实现了对三模介质带通滤波器谐振模式耦合的控制，性能良好，加工制造便利。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种新型三模介质带通滤波器，所述三模介质带通滤波器包括外部腔体1、第一输入输出端口2和第二输入输出端口3，所述第一输入输出端口2和第二输入输出端口3均开设在所述外部腔体1上；

所述外部腔体1内设置有第一金属柱9，第二金属柱10和第三金属柱11，所述第一金属柱9、所述第二金属柱10和所述第三金属柱11均与所述外部腔体1上下表面短接；

所述第一金属柱9、所述第二金属柱10和所述外部腔体1构成第一环形结构，所述第二金属柱10、所述第三金属柱11和所述外部腔体1构成第二环形结构；

所述外部腔体1上表面设置有调谐螺钉6；

所述外部腔体1内设置有介质谐振器4，所述介质谐振器4的上表面设置有介质基板5；

所述介质基板5上开设有第一开槽结构7和第二开槽结构8。

进一步地，所述调谐螺钉6、所述第一开槽结构7以及所述第二开槽结构8用于控制所述三模介质带通滤波器的谐振频率。

进一步地，所述三模介质带通滤波器的谐振频率可通过改变所述调谐螺钉6、所述第一开槽结构7以及所述第二开槽结构8的尺寸进行控制。进一步地，所述第一环形结构和所述第二环形结构用于控制所述三模介质带通滤波器的腔内耦合强度。

进一步地，其特征在于所述三模介质带通滤波器的腔内耦合强度控制通过改变所述第一环形结构和所述第二环形结构的位置实现。

进一步地，所述第一输入输出端口2和所述第二输入输出端口3采用接地的同轴端口实现的。

进一步地，所述第一输入输出端口2和所述第二输入输出端口3的端口耦合强度控制通过改变端口到所述介质谐振器4的距离实现的。

进一步地，所述介质谐振器4为圆柱形。

进一步地，所述三模介质带通滤波器的三个模式谐振频率的调整可以通过控制所述外部腔体1和位于所述介质谐振器4上表面的介质基板5的尺寸实现的。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、通过调谐螺钉和对位于介质谐振器上表面的介质基板进行开槽实现对三模介质带通滤波器谐振频率的控制，便于加工制造。

2、通过采用由两根接地金属柱和外部腔体构成的环形结构实现对耦合强度的控制，同样便于加工制造。

3、采用介质谐振器的三个模式进行设计具有体积小，Q值高等优点。

附图说明

图1是本发明公开的一种新型三模介质带通滤波器的结构示意图；

图2是本发明公开的一种新型三模介质带通滤波器的仿真示意图；

图3是实施例中谐振腔的侧视图；

图4是本发明中谐振频率随外部腔体高度的变化曲线；

图5是实施例中谐振腔的俯视图；

图6是本发明中谐振频率随介质基板半径的变化曲线；

图7是实施例中设置有调谐螺钉的谐振腔的侧视图；

图8是本发明中谐振频率随调谐螺钉嵌入深度的变化曲线；

图9是实施例中设置有频率控制开槽结构的谐振腔的俯视图；

图10是本发明中谐振频率随开槽结构深度的变化曲线；

图11是实施例中设置有耦合结构的谐振腔俯视图；

图12是本发明中耦合系数随金属柱到谐振腔中心的距离的变化曲线；

其中，1——外部腔体，2——第一输入输出端口，3——第二输入输出端口，4——介质谐振器，5——介质基板，7——第一开槽结构，8——第二开槽结构，9——第一金属柱，10——第二金属柱，11——第三金属柱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例公开了一种采用调谐螺钉和介质基板开槽结构控制谐振频率以及采用由两根短接金属柱和外部腔体构成的环形结构控制耦合的三模介质带通滤波器，性能良好，容易加工制造。

三模介质带通滤波器的结构如图1所示。其中，2和3为三模介质带通滤波器的第一输入输出端口和第二输入输出端口，当第一输入输出端口2作为三模介质带通滤波器的输入端口时，第二输入输出端口3作为三模介质带通滤波器的输出端口，反之，当第二输入输出端口3作为三模介质带通滤波器的输入端口时，第一输入输出端口2作为双模介质滤波器的输出端口。1是滤波器的外部腔体。4是外部腔体1中的介质谐振器。5是位于介质谐振器上表面的介质基板。6是位于外部腔体上表面控制频率的调谐螺钉。7和8分别为介质基板5上控制频率的第一开槽结构和第二开槽结构。9、10和11分别是三模介质带通滤波器中的第一金属柱、第二金属柱和第三金属柱。由第一金属柱9、第二金属柱10和外部腔体1构成的第一环形结构以及由第二金属柱10、第三金属柱11和外部腔体1构成的第二环形结构用于控制三模介质带通滤波器的腔内耦合强度。

一种新型三模介质带通滤波器，包括外部腔体1、第一输入输出端口2、第二输入输出端口3。所述第一输入输出端口2和所述第二输入输出端口3均开设在所述外部腔体1上。

所述外部腔体1内设置有介质谐振器4，所述介质谐振器4的上表面设置有介质基板5。

所述外部腔体1的上表面设置有调谐螺钉6。所述调谐螺钉6用于控制所述三模介质带通滤波器的谐振频率。

所述介质基板5上开设有第一开槽结构7和第二开槽结构8。所述第一开槽结构7和所述第二开槽结构8用于控制所述三模介质带通滤波器的谐振频率。

所述外部腔体1设置有第一金属柱9，第二金属柱10和第三金属柱11，所述第一金属柱9，所述第二金属柱10和所述第三金属柱11均与外部腔体1短接；所述第一金属柱9，所述第二金属柱10和所述外部腔体1构成第一环形结构，所述第二金属柱10，所述第三金属柱11和所述外部腔体1构成第二环形结构。

所述第一环形结构和所述第二环形结构用于控制所述三模介质带通滤波器的腔内耦合。

具体应用中，三个模式谐振频率的靠近是通过控制所述外部腔体1的高度以及所述介质基板5的尺寸实现的。

具体应用中，对三模介质带通滤波器谐振频率的控制是通过改变调谐螺钉6和位于介质谐振器上表面的介质基板的第一开槽结构7和第二开槽结构8的尺寸实现的。

具体应用中，对三模介质带通滤波器腔内耦合强度的控制则是通过改变第一环形结构和第二环形结构的位置实现的。

本实施例中，所述介质谐振器4为圆柱形。

具体应用中，所述第一输入输出端口2和所述第二输入输出端口3则是采用接地的同轴端口实现的，所述第一输入输出端口2和所述第二输入输出端口3的端口耦合强度的控制则是通过改变端口到介质谐振器的距离实现的。

具体应用中，所述外部腔体1采用铝、铜、铁、金或者银中的任意一种金属或任意几种金属的合金制作。

为了验证控制外部腔体高度H和介质基板的半径R可以使三个模式的谐振频率靠近，保持其它参数不变，分别对外部腔体的高度H和介质基板的半径R取不同值进行仿真，图3是谐振腔侧视图，图5是谐振腔俯视图，图4和图6是仿真结果。

由图4的仿真结果可以看到，保持其它参数不变，随着外部腔体的高度H的不断增大，谐振腔中第一个模式的频率呈上升的趋势，第二个模式和第三个模式的谐振频率基本保持不变；由图6的仿真结果可以看到，保持其它参数不变，随着介质基板的半径R的不断增大，谐振腔中第一个模式的谐振频率只有轻微的变化，而第二个模式和第三个模式的谐振频率呈下降的趋势，因此可以通过控制外部腔体的高度H和介质基板的半径R实现三模介质带通滤波器三个模式的谐振频率靠近。

为了验证调谐螺钉的嵌入深度T和介质基板开槽结构的深度L1、L2对滤波器谐振频率的调谐作用，保持其它参数不变，分别对谐螺钉的嵌入深度T和介质基板开槽结构的深度L2(L1保持不变)取不同值进行仿真，图7是设置有调谐螺钉的谐振腔结构图，图9是设置有介质基板开槽结构的谐振腔结构图，图8和图10是仿真结果。

由图8的仿真结果可以看到，随着调谐螺钉的嵌入深度T不断增大，谐振腔第一个模式的谐振频率呈下降的趋势，而第二个模式和第三个模式的谐振频率基本保持不变，因此调谐螺钉用于控制第一个模式的谐振频率；由图10的仿真结果可以看到，随着介质基板开槽结构的深度L2不断增大，谐振腔中的第一个模式的谐振频率呈轻微上升的趋势，第二模式基本保持不变，第三个模式呈下降趋势，因此介质基板的开槽结构深度L2用于控制第三个模式的谐振频率。同理，可以得到介质基板的开槽结构深度L1用于控制滤波器第二个模式的谐振频率。因此，可以通过控制调谐螺钉的嵌入深度H和介质基板的开槽结构深度L1和L2实现对滤波器三个模式谐振频率的控制。

滤波器的腔内耦合强度是由两根短接的金属柱和外部腔体构成的环形结构所控制，为了验证腔内耦合环形结构对腔内耦合强度的影响，保持其它参数不变，对金属柱到谐振腔的中心距离取不同值进行仿真，图11是设置有腔内耦合结构的谐振腔结构图，图12是仿真结果。

由图12的仿真结果可以看到，保持其它参数不变，随着金属柱到谐振腔中心的距离不断增大，即环形结构的位置不断改变，腔体耦合强度k12呈下降的趋势，因此通过控制环形结构的位置可以实现对腔内耦合强度的控制。

实施例二

如图1所示，在本实施例的设计中，先根据谐振腔的场分布确定位于介质谐振器上表面介质基板的开槽位置、输入输出端口耦合结构的位置和金属柱的位置。三模介质带通滤波器的谐振频率不仅由介质谐振器和外部腔体的尺寸所决定，同时还会受到调谐螺钉和介质基板开槽结构尺寸的影响，通过控制调谐螺钉的嵌入深度和介质基板开槽结构的深度可以实现对三模介质带通滤波器谐振频率的控制。同时，通过控制由两根短接的金属柱和外部腔体构成的环形结构的位置实现对腔内耦合强度的控制。在本次实施例中，给定的滤波器中心频率为1450MHz，所用圆柱介质谐振器的半径为16mm，高度为11.4mm，外部腔体的高度为13.1mm，介质基板上开槽结构的深度为7.5mm(图1中第一开槽结构7和第二开槽结构8的深度)，金属柱到谐振腔中心的距离分别为21.45mm(图1中第一金属柱9和第三金属柱11到谐振腔中心的距离)和20mm(图1中第二金属柱10到谐振腔中心的距离)，该滤波器的结构如图1所示，其仿真结果如图2所示。

图2为该三模介质带通滤波器的频率响应的仿真曲线。从图2的仿真结果中可以看到，该双模介质滤波器的回波损耗约为15dB，插入损耗小于0.5dB，工作频率为1425MHz～1475MHz，带宽为50MHz。

综上所述，本发明提出了一种控制三模介质带通滤波器的频率和耦合的设计方案。在此方案下，可以设计出便于加工的三模介质带通滤波器。由于三模介质带通滤波器具有插入损耗小、功率容量大、带外抑制高、体积小和重量轻等优点，在通信系统中有着广泛的应用。本发明不仅具有良好的工作特性，同时可以避免对介质谐振器开孔，还易于加工制造，有利于实际的工业生产。该滤波器的创新之处在于通过调谐螺钉和对位于介质谐振器上表面的介质基板进行开槽实现了对三模介质带通滤波器谐振频率的控制，同时通过控制由两根短接金属柱和外部腔体构成的环形结构的位置实现对腔内耦合强度的控制。

本发明包括并不仅限于上述给出的实施方案，本领域技术人员在本发明的构思下，在不脱离本发明原理的前提下，可对滤波器的结构做出不同的变化和替换，例如改变位于介质谐振器上表面介质基板的形状和尺寸，介质基板开槽结构的位置、形状和尺寸，外部腔体的尺寸和形状以及介质谐振器的尺寸和形状等，这些变形和替换也属于本专利保护范围。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型三模介质带通滤波器，所述三模介质带通滤波器包括外部腔体(1)、第一输入输出端口(2)和第二输入输出端口(3)，其特征在于，所述第一输入输出端口(2)和所述第二输入输出端口(3)均开设在所述外部腔体(1)上；

所述外部腔体(1)内设置有第一金属柱(9)，第二金属柱(10)和第三金属柱(11)，所述第一金属柱(9)、所述第二金属柱(10)和所述第三金属柱(11)均与所述外部腔体(1)上下表面短接；

所述第一金属柱(9)、所述第二金属柱(10)和所述外部腔体(1)构成第一环形结构，所述第二金属柱(10)、所述第三金属柱(11)和所述外部腔体(1)构成第二环形结构；

所述外部腔体(1)上表面设置有调谐螺钉(6)，所述调谐螺钉(6)设置在介质谐振器(4)的中心处；

所述外部腔体(1)内部中心处设置有圆柱形介质谐振器(4)，所述介质谐振器(4)的上表面设置有圆形的介质基板(5)；

所述介质基板(5)上开设有第一开槽结构(7)和第二开槽结构(8)。

2.根据权利要求1所述的一种新型三模介质带通滤波器，其特征在于，所述调谐螺钉(6)、所述第一开槽结构(7)以及所述第二开槽结构(8)用于控制所述三模介质带通滤波器的谐振频率。

3.根据权利要求2所述的一种新型三模介质带通滤波器，其特征在于，所述三模介质带通滤波器的谐振频率通过改变所述第一开槽结构(7)以及所述第二开槽结构(8)的尺寸进行控制，或者通过设置所述调谐螺钉(6)在所述外部腔体(1)中的嵌入深度进行控制。

4.根据权利要求1所述的一种新型三模介质带通滤波器，其特征在于，所述第一环形结构和所述第二环形结构用于控制所述三模介质带通滤波器的腔内耦合强度。

5.根据权利要求1所述的一种新型三模介质带通滤波器，其特征在于所述三模介质带通滤波器的腔内耦合强度控制通过改变所述第一环形结构和所述第二环形结构的位置实现。

6.根据权利要求1所述的一种新型三模介质带通滤波器，其特征在于，所述第一输入输出端口(2)和所述第二输入输出端口(3)采用接地的同轴端口实现的。

7.根据权利要求6所述的一种新型三模介质带通滤波器，其特征在于，所述第一输入输出端口(2)和所述第二输入输出端口(3)的端口耦合强度控制通过改变端口到所述介质谐振器(4)的距离实现的。

8.根据权利要求1所述的一种新型三模介质带通滤波器，其特征在于，所述三模介质带通滤波器的三个模式谐振频率的控制可以通过控制所述外部腔体(1)和位于所述介质谐振器(4)上表面的介质基板(5)的尺寸实现的。

9.根据权利要求1所述的一种新型三模介质带通滤波器，其特征在于，所述外部腔体(1)的材料采用任意一种金属或任意几种金属的合金制作。

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